15CrMo frente a 20CrMo: composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros 15CrMo y 20CrMo son dos aleaciones de acero al cromo-molibdeno comunes en aplicaciones de recipientes a presión, generación de energía y componentes mecánicos. Los ingenieros y los equipos de compras suelen elegir entre ellos al equilibrar requisitos como la resistencia a altas temperaturas y la resistencia a la fluencia, frente a la dureza y la resistencia a través del espesor para piezas sometidas a cargas elevadas. Las decisiones típicas se toman considerando si la pieza operará durante largos periodos a alta temperatura (lo que favorece un acero con menor contenido de carbono y mayor estabilidad térmica) o si se requiere mayor resistencia y templabilidad tras el temple (lo que favorece el acero con mayor contenido de carbono).

La principal diferencia técnica entre estos grados radica en su contenido de carbono y el efecto resultante en la templabilidad y el comportamiento ante el revenido: el grado con menor contenido de carbono ofrece mayor tenacidad y mejor desempeño a altas temperaturas, mientras que el grado con mayor contenido de carbono puede alcanzar mayor resistencia y resistencia al desgaste tras un tratamiento térmico adecuado. Dado que ambos son aceros al cromo-molibdeno, se comparan frecuentemente para componentes de servicio a presión a temperaturas medias y para piezas estructurales/mecánicas donde la soldabilidad, la respuesta al tratamiento térmico y el costo son factores determinantes.

1. Normas y designaciones

• Normas comunes y referencias cruzadas:
• GB/T (China): designaciones como 15CrMo y 20CrMo aparecen en las especificaciones GB para aceros de recipientes a presión.
• EN / DIN: aceros Cr–Mo similares se encuentran en las familias EN/DIN (por ejemplo, 13CrMo4-5; la equivalencia exacta depende de la química y el tratamiento térmico).
• JIS (Japón) y ASTM/ASME (EE. UU.): existen aceros equivalentes o de propósito similar, pero las coincidencias exactas de grado requieren confirmación química y mecánica.
• Clasificación:
• Tanto el 15CrMo como el 20CrMo son aceros aleados (aceros de baja aleación Cr-Mo), no inoxidables, no aceros para herramientas y no HSLA en sentido estricto. Se utilizan frecuentemente en recipientes a presión, tuberías y piezas mecánicas expuestas a altas temperaturas.

2. Composición química y estrategia de aleación

Tabla: Rangos típicos de composición nominal (representativos; verificar con la norma específica o el certificado de fábrica para el diseño final).

Elemento	15CrMo (rangos típicos)	20CrMo (rangos típicos)
do	0,10–0,18 % en peso	0,17–0,24 % en peso
Minnesota	0,35–0,65 % en peso	0,35–0,65 % en peso
Si	0,10–0,37 % en peso	0,10–0,37 % en peso
PAG	≤ 0,035 % en peso	≤ 0,035 % en peso
S	≤ 0,035 % en peso	≤ 0,035 % en peso
Cr	~0,8–1,1 % en peso	~0,8–1,3 % en peso
Mes	~0,12–0,25 % en peso	~0,12–0,30 % en peso
Ni	≤ 0,30 % en peso (trazas)	≤ 0,30 % en peso (trazas)
V, Nb, Ti, B, N	No se suele añadir en cantidades significativas; puede estar presente en niveles traza/microaleantes.	Mismo

Notas: - Estos rangos son ilustrativos de la química de molino que se encuentra comúnmente para los dos nombres de grado; las normas específicas (GB/T, EN, JIS, ASTM) y los números de colada determinan los límites exactos. Estrategia de aleación: El cromo y el molibdeno aumentan la templabilidad, la resistencia a la temperatura y la resistencia al revenido. El carbono incrementa la resistencia y la templabilidad tras el temple, pero reduce la ductilidad, la tenacidad y la soldabilidad al aumentar su contenido. El manganeso y el silicio actúan como desoxidantes y contribuyen a la resistencia y la templabilidad.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

• Microestructura laminada/normalizada:
• El 15CrMo en estado normalizado es típicamente una microestructura de ferrita-perlita templada o bainítica fina con una dureza retenida relativamente baja y buena tenacidad; se elige para piezas de presión que operan a temperaturas elevadas.
• El 20CrMo, con mayor contenido de carbono y una relación Cr-Mo comparable, puede formar perlita más fina o transformarse en bainita/martensita más fácilmente durante el enfriamiento rápido, lo que proporciona mayor dureza y resistencia después del temple y revenido.
• Efectos del tratamiento térmico:
• Normalización/refinado: ambos aceros responden a la normalización (enfriamiento al aire desde la temperatura de austenización) produciendo ferrita-perlita fina o bainita dependiendo de la velocidad de enfriamiento; el 20CrMo tiende a desarrollar una mayor dureza debido al contenido de carbono.
• Temple y revenido: El acero 20CrMo alcanza una mayor resistencia tras el temple y una mayor resistencia tras el revenido, pero es más susceptible al agrietamiento por temple y requiere un control más estricto de las temperaturas de precalentamiento y entre pasadas para la soldadura. El acero 15CrMo alcanza una resistencia adecuada para el servicio en recipientes a presión con una menor sensibilidad al temple.
• Procesamiento termomecánico: el laminado controlado y el enfriamiento acelerado pueden mejorar la resistencia y la tenacidad de ambos grados, pero el grado con menor contenido de carbono generalmente proporciona una microestructura más tolerante a los daños para el servicio a altas temperaturas.

4. Propiedades mecánicas

Tabla: Propiedades comparativas (comportamiento cualitativo/típico; consulte la certificación del producto para obtener los valores exactos)

Propiedad	15CrMo	20CrMo	Notas
Resistencia a la tracción	Moderado	Más alto	El 20CrMo alcanza una mayor resistencia a la tracción tras el temple y revenido debido a su mayor capacidad de endurecimiento por deformación.
Resistencia a la fluencia	Moderado	Más alto	El 20CrMo rinde bajo mayor tensión después del tratamiento térmico.
Alargamiento (%)	Mayor (más dúctil)	Menor (menos dúctil)	Un mayor contenido de carbono reduce la ductilidad
Dureza al impacto	Mejora a temperaturas elevadas	Buena temperatura ambiente cuando se templa, pero menor a altas temperaturas.	15CrMo diseñado para una resistencia sostenida a altas temperaturas
Dureza (HRC/HRB)	Menor (mecanizado/conformación más fácil)	Mayor (cuando se trata térmicamente)	El acero 20CrMo puede alcanzar una mayor dureza tras un tratamiento térmico adecuado.

Interpretación: - Para condiciones de tratamiento térmico comparables destinadas al servicio en recipientes a presión (condiciones templadas), el 15CrMo generalmente ofrece una respuesta más dúctil y resistente a las temperaturas de servicio, mientras que el 20CrMo se puede utilizar donde se requiere mayor resistencia al temple y al desgaste. Los diseñadores deben adaptar el tratamiento térmico al entorno de servicio: para la resistencia a la fluencia, puede ser deseable una mayor estabilidad al revenido y un menor contenido de carbono; para componentes que soportan cargas y que requieren mayor límite elástico/resistencia a la tracción, puede priorizarse un mayor contenido de carbono/templabilidad.

5. Soldabilidad

La soldabilidad depende principalmente del equivalente de carbono y de la aleación. Dos índices empíricos ampliamente utilizados son:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

y

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa: - El 20CrMo, al tener mayor contenido de carbono, generalmente tendrá un $CE_{IIW}$ y un $P_{cm}$ más altos que el 15CrMo para los mismos niveles de Mn, Cr y Mo, lo que indica una mayor susceptibilidad al endurecimiento de la ZAT y al agrietamiento en frío a menos que se aplique un precalentamiento y un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) adecuados. - El menor contenido de carbono del 15CrMo reduce la necesidad de un precalentamiento intenso y permite prácticas de soldadura más permisivas, aunque el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) sigue siendo a menudo necesario para el servicio en recipientes a presión para aliviar las tensiones residuales y templar la zona afectada por el calor (ZAC). - Ambos grados contienen Cr y Mo, que aumentan la templabilidad; los procedimientos de soldadura (precalentamiento, entre pasadas y tratamiento térmico posterior a la soldadura) deben estar calificados según el código (por ejemplo, ASME Sección IX) para aplicaciones de presión.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el 15CrMo ni el 20CrMo son inoxidables; ambos requieren protección superficial en ambientes corrosivos.
• Protecciones típicas: pintura, sistemas de recubrimiento industrial, galvanizado (cuando sea apropiado para la temperatura de diseño y el servicio) o revestimiento con aleaciones resistentes a la corrosión para entornos más agresivos.
• El PREN no es aplicable a estos aceros de baja aleación no inoxidables, pero al hablar de resistencia a la corrosión en aleaciones inoxidables se utilizaría:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• Para una mayor resistencia a la oxidación/incrustación a altas temperaturas, el contenido de Cr y Mo ayuda, pero para una verdadera resistencia a la corrosión (cloruros, medios ácidos) se requieren aleaciones de acero inoxidable o revestimientos superficiales.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad: El acero 15CrMo (menor contenido de carbono) suele ser más fácil de mecanizar que el 20CrMo en condiciones de tratamiento térmico similares. La mayor dureza del 20CrMo incrementa las fuerzas de corte y el desgaste de la herramienta.
• Conformado/doblado: El 15CrMo tolera mejor el conformado y doblado en frío debido a su mayor ductilidad; el 20CrMo puede requerir radios de curvatura más pequeños o recocido/normalizado antes del conformado.
• Acabado: El rectificado de superficies, el pulido y el granallado son similares, pero la mayor dureza del 20CrMo puede requerir herramientas más agresivas o velocidades de avance más lentas.
• Soldadura y fabricación: ambos grados suelen requerir precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) cuando se utilizan en aplicaciones a presión; el grado y la temperatura dependen del equivalente de carbono y del espesor.

8. Aplicaciones típicas

Tabla: Usos típicos

15CrMo	20CrMo
Componentes de calderas y recipientes a presión para temperaturas moderadamente elevadas	Ejes mecánicos, espárragos, pernos y componentes de carga que requieren mayor resistencia tras temple/revenido.
Tuberías y accesorios en centrales eléctricas donde se requiere resistencia a la temperatura	Engranajes, acoplamientos de alta resistencia y piezas estructurales donde se requiere mayor resistencia o resistencia al desgaste después del tratamiento térmico.
Tubos, colectores y bridas de intercambiadores de calor donde la resistencia a la fluencia y la estabilidad térmica son importantes	Componentes y piezas de ajuste a presión o por contracción sometidos a cargas mecánicas cíclicas (tras un tratamiento térmico adecuado).

Justificación de la selección: - Elija 15CrMo cuando el rendimiento a temperaturas sostenidas, la ductilidad y la soldabilidad con un menor riesgo de agrietamiento por hidrógeno sean prioritarios (recipientes a presión y tuberías). - Elija 20CrMo cuando se requiera mayor resistencia, dureza y resistencia al desgaste y cuando sea factible un tratamiento térmico controlado.

9. Costo y disponibilidad

• Coste de la materia prima: ambos son aceros de aleación Cr-Mo; las diferencias en el coste de los materiales son modestas y están determinadas en gran medida por el suministro local, la forma (placa, barra, tubo) y los requisitos de procesamiento.
• Coste de procesamiento: El 20CrMo puede conllevar costes de procesamiento más elevados debido a controles más estrictos de tratamiento térmico/soldadura y, potencialmente, a un mecanizado/herramientas más caros si se busca una mayor dureza.
• Disponibilidad: Ambos grados están ampliamente disponibles en formatos de producto comunes (placa, barra, tubo sin soldadura) en muchos mercados industriales; las condiciones específicas de tratamiento térmico y las certificaciones de materiales a presión de gran diámetro pueden ser más limitadas y requerir plazos de entrega más largos.

10. Resumen y recomendación

Tabla: Comparación de alto nivel

Atributo	15CrMo	20CrMo
Soldabilidad	Mejor (menor CE)	Requiere un precalentamiento/PWHT más estricto (mayor CE)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Buena tenacidad, resistencia moderada	Mayor resistencia alcanzable, menor ductilidad al endurecerse
Costo (material + procesamiento)	De bajo a moderado	De moderado a alto (dependiendo del tratamiento térmico)

Recomendaciones: - Elija 15CrMo si necesita una aleación de Cr-Mo para servicio a temperaturas moderadamente elevadas, componentes de recipientes a presión o tuberías donde la estabilidad del temple a largo plazo, la tenacidad y una soldabilidad más tolerante sean importantes. - Elija 20CrMo si necesita mayor resistencia o templabilidad a través del espesor para piezas mecánicas, engranajes, ejes o componentes que se templarán y revenirán a un nivel de dureza y resistencia más alto, y donde pueda controlar los procedimientos de tratamiento térmico y soldadura.

Nota final: Siempre verifique las propiedades mecánicas requeridas, las condiciones del tratamiento térmico y la composición química del certificado de fábrica conforme al código o especificación aplicable a su aplicación. Para equipos a presión soldados, siga el código de diseño correspondiente (ASME, EN, GB/T) y valide los procedimientos de soldadura y los requisitos de tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) según el equivalente de carbono y el espesor calculados.